Technika falo- i światłowodowa

Transkrypt

1 Technika falo- i światłowodowa Falowody elementy planarne (płytki, paski) Światłowody elementy cylindryczne (włókna światłowodowe) płytkowy paskowy włókno optyczne Rdzeń o wyższym współczynniku załamania n 1 umieszczony w ośrodku o niższym współczynniku n 2 w światłowodzie mówi się o płaszczu Geometrycznie pułapka stworzona przez całkowite wewnętrzne odbicie

2 Technologia wyciągania światłowodu z preformy Preforma pręt domieszkowanego szkła kwarcowego System pomiaru średnicy Sterownik szybkości wyciągania światłowodu Podajnik preformy Piec temp C Wanna z materiałem na płaszcz Stanowisko utwardzania płaszcza Sterowanie naciągiem Bęben z nawiniętym światłowodem

3 Apertura światłowodu n = 1 θ a θ g n 2 α g n 1 płaszcz rdzeń Światłowód w powietrzu n = 1 n 1 współczynnik zał. rdzenia n 2 współczynnik zał. płaszcza Na granicy rdzeń-powietrze z prawa załamania Na granicy rdzeń-płaszcz z prawa całkowitego odbicia sin ϑ a = n 1 n = sin ϑ g = n 1 0 ( sin ) 1 sin αg n 2 90 cosα g Apertura numeryczna światłowodu NA = sin ϑ a = n 1 1 sin 2 α g NA = sin ϑ a = n 2 1 n 2 2 Maksymalny kąt aperturowy θ a kąt akceptacji

4 Modowość światłowodu Promień wyciekający Promień prowadzony 2θ a α 2a Propagują się tylko te fale, które po dwukrotnym odbiciu są w fazie z falą przed odbiciem fale w fazie Inne fale są tłumione n 1 Propagujące się fale nazywamy modami

5 Modowość propagującego się promieniowania C płaszcz A 2a Warunek zgodności fazy n 1 ( AB AC) = mλ m = 1, 2, 3,.. 2a AB = 2a średnica rdzenia sin ϑm 2a AC = ABsin ϑ ' = cos( 2ϑm ) gdyż sin ϑ 2 Ponieważ 1 cosα = 2sin ( 0. 5α) m n 1 rdzeń ostatecznie θ m θ 90 0 B ϑ ' + 2ϑm = 90 warunek zgodności fazy an sin ϑ = mλ m 1, 2, 3, m = θ m 0

6 Wpływ modowości na szerokości impulsu Rozkład współczynnik a załamania n 2 n1 Poszerzenie impulsu na skutek jego propagacji skokowa zmiana n wielomodowy step-index n 2 n 1 gradientowy wielomodowy n 2n1 skokowy jednomodowy

7 Modowość propagującego się promieniowania 4 m an1 sin ϑ = mλ m = 1, 2, 3,.. Jednomodowy światłowód (m = 1) warunek zgodności fazy dla modu m musi spełniać warunek 4an 1 sin ϑ 1max < λ Z prawa załamania NA = sin ϑ a = n 1 sin ϑ 1max i ostatecznie warunkiem dla światłowodu jednomodowego będzie 2a < 0.5λ NA Przykładowo dla NA = 0.1 λ = 1.55 μm 2a < 7.75 μm Dla większych apertur NA średnice rdzenia jeszcze mniejsze

8 Przykładowe parametry Typ Φ rdzenia Φ płaszcza NA Kąt akceptacji μm μm stopnie Skokowy Gradientowy Jednomodowy Włókno jednomodowe ma średnicę poniżej 10 μm Rozkłady intensywności dla 2 różnych modów

9 Tłumienność światłowodów Pt = P0 exp ( βl) Przyczyny tłumienia P 0 moc początkowa P t moc transmitowana β -stała zależna od stopnia tłumienia L długość światłowodu Tłumienie jednego bela (1B) t 0 Jednostki tłumienności w db/km Absorpcja materiału - transmisja szkła kwarcowego w paśmie μm Zanieczyszczenia, wpływ domieszek P = 0.1P gdyż log 0 = 1 Rozproszenie Rayleigha w zakresie krótkofalowym i (G) Mie na nieregularnościach P P 1 db 20% spadku sygnału t

10 Szkło kwarcowe domieszka GeO 2 - okna transmisyjne dla λ = 1.3 i 1.55 μm 10.0 Tłumienność [db/km] Rozproszenie Rayleigha Absorpcja w UV Absorpcja w IR 0.01 Straty falowodowe μm

11 Światłowodowy tor informacyjny rysunek poglądowy

12 Podstawowe elementy toru światłowodowego Sygnał elektryczny Dioda pompa Odbiornik Sygnał elektryczny Sprzężenie źródła ze światłowodem wzmacniacz Sprzężenie światłowodu z odbiornikiem Złącze stałe (spaw) lub rozłączne Złącze stałe (spaw) lub rozłączne Telekomunikacja

13 Straty w linii światłowodowej ln P 0 Moc nadawana Strata na spawie Straty w światłowodzie Strata na spawie ln P t,min Minimalna moc rejestrowana Margines bezpieczeństwa L max zasięg Długość linii L

14 Zalety światłowodów Małe średnica (ogólnie wymiary) Średnica płaszcza zazwyczaj 125μm, a z osłoną 1 mm. Kabel Φ19 mm ze 133 światłowodami dla 1.75 milionów rozmów telefonicznych. Koncentryczny kabel miedziany Φ120 mm dla 40 tys. rozmów telefonicznych Porównanie wymiarów kabla koncentrycznego i światłowodowego Mały ciężar 1 km światłowodu bez osłony waży 27g

15 Zalety światłowodów cd Elastyczność Nie pęka zginany na elemencie Φ3mm Odporny na szumy elektromagnetyczne Odporny na korozję, wysokie temperatury i wpływ ośrodków skażonych (szkodliwych dla zdrowia) Bezpieczny dla pracy w ośrodkach grożących wybuchem (brak zwarcia i iskrzenia przewodów) Niska tłumienność Dla λ = 1.55μm tylko 0.16dB/km wzmacnianie niezbędne po kilkuset km W kablach koncentrycznych 19dB/km i wzmacniacze co 1km

16 Kable telefoniczny specjalny koncentryczny światłowodowe wielomodowe jednomodowe 30 Tłumienność [db/km] MHz Częstotliwość GHz Porównanie tłumienia różnych kabli

17 Długość łącza dostosowana do szybkości przesyłania informacji dla 4 typów światłowodów 1000 Długość łącza w km jednomodowe λ = 0.87 μm gradientowy λ = 1.3 μm λ = 1.55 μm skokowy Przepływność Mb/s

18 Zalety światłowodów cd Szerokie pasmo Dla światłowodu gradientowego od 1 do 10GHz. Przepływność 1Gbit/s. Graniczna wartość kabli koncentrycznych 400Mbit/s Multipleksing Transmisja informacji tym samym światłowodem na różnych nośnikach - różne λ Technika DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing Np. 240 kanałów w paśmie μm

19 Technika DWDM Nadajnik LED Δλ Szerokie pasmo siatka dyfrakcyjna ośrodek gradientowy Modulatory kodujące informacje w poszczególnych kanałów λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λ 5 λ 6 λ 7 multiplekser λ 1 +λ λ 7 Odbiornik Σλ λ 1 +λ 2 +λ 3 demultiplekser Odbiornik Osiągnięto 250 kanałów na jednym światłowodzie dekodowanie informacji w poszczególnych kanałach

20 Technika DWDM

21 Sprzęganie między światłowodami Propagacja promieniowania w światłowodzie na podstawie prawa całkowitego wewnętrznego odbicia bazowała na prawach optyki geometrycznej x Po uwzględnieniu interferencji i propagacji promieniowania rozkład amplitud w propagujących się modach m = d 0 z

22 Sprzęganie między falowodami cd n x n 1 n z n 2 n Zbliżanie światłowodów lub zmiana współczynnika załamania jednego ze światłowodów sterowane polem elektrycznym

23 Sprzęgacz propagacja Technologia półprzewodnikowa grubości kilka μm długości L 2-4 mm

24 Telekomunikacja cd Modulacja nośnika prądowa diody LED sieci lokalne diody laserowej telekomunikacja Sprzęganie ze światłowodem włókna soczewki dla 2θ x 2θ y sferyczna cylindryczna LED LED LED

25 Telekomunikacja cd Zwarte połączenie źródła i światłowodu oferowane przez producenta pigtail owane złącze obudowa zasilanie sygnał optyka włókno LED

26 Przykłady pigtail owych złączy

27 Telekomunikacja cd Kable światłowodowe polietylen miedź drut nylon elastomer włókno koszulka miedziana włókna druty wzmacniające pokrycie zabezpieczające płaszcz izolacyjny

28 Telekomunikacja cd Kable światłowodowe

29 Telekomunikacja cd Sprzęgacze Schematy działania Wybrane realizacje

30 spawane spaw płaszcz Telekomunikacja cd klejone otwór do kleju Złącza rdzeń obudowa Stożki centrujące Obudowa Kabel Rozłączne Światłowód Soczewki silikonowe Płaszczyzna rozłączenia Dzięki zastosowaniu soczewek zmniejsza się wymagania na centralność

31 Przykłady złącz rozłącznych

32 Telekomunikacja cd Wzmacniacz światłowodowy Linie światłowodowe Sprzęgacze λ s λ s λ s λ p λ s λ s λ s λ p λ p Zwierciadło Dioda pompująca Światłowód domieszkowany erbem jako wzmacniacz Światłowód ze szkła kwarcowego domieszkowanego erbem wzmacnia promieniowanie sygnału λ s = 1.55 μm poprzez pompowanie diodą InGaAsP λ p = 1.48 μm

33 Telekomunikacja cd Odbiorniki Zamiana sygnału optycznego na elektryczny Fotodiody PIN lub lawinowe niski szum i wysoka wydajność kwantowa dla wysokich częstotliwości λ = 0.87 μm fotodiody krzemowe 1.3 i 1.55 μm germanowe lub InGaAs